一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，包括以下步骤：步骤一，对无人机微群中的每架无人机进行高程测量零漂校正；步骤二，对无人机微群中的每架无人机进行方向角测量零漂校正；步骤三，在任意时刻k，令无人机微群悬停，解算每架无人机与目标中心连线的俯仰角与方向角；步骤四，计算基于单无人机定位的目标中心经纬度和目标高程；步骤五，将每架无人机的目标中心经纬度和目标高程进行数据融合，得到基于无人机微群的目标经纬度和目标高程的估计值。本发明专利技术在定位前分别对方向角测量和高程测量进行零漂校正，并在定位时对多架无人机的定位结果进行数据融合，有利于提升目标定位的精准度。提升目标定位的精准度。提升目标定位的精准度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法


[0001]本专利技术涉及无人机的地面目标定位
，更具体的说是涉及一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法。

技术介绍

[0002]现代无人机常配备有基于单片机的飞控系统、机载GPS/北斗、可操控的相机云台、姿态测量仪等仪器，既可以在已知自身实时位置和高程的条件下进行自主飞行，又可同时借助机载相机对空中或大地上的目标区域进行拍照，故基于无人机的地面目标定位功能得到了广泛的关注。
[0003]基于无人机进行目标经纬度和高程定位，通常采用机载相机云台和激光测距仪获取地面目标与无人机的相对位置，再结合无人机自身位置解出目标绝对位置，或采用图像匹配方法，比对含有目标物体的图像与基准图像，确定目标物体位置，但后者仅适用于目标物体的经纬度定位，不能给出高程信息。民用无人机有价格低、轻便、易组网的突出优势，但将其应用于目标物体定位，也有明显劣势，如民用无人机的机载相机、高程测量仪、姿态测量仪等传感器的精度较低，随机误差较大，且民用无人机一般不配备激光测距仪，因此，若采用单机进行地面目标定位不能期望高的定位精度。但采用少量无人机组成微群进行目标定位就能扬长避短，在保持低成本优势的前提下提高定位精度，对此，定位算法是技术关键。
[0004]现有技术中的地面目标定位方法为：通过至少两台无人机对准同一目标进行拍摄，利用位置及角度数据确定目标同每架无人机之间的方向向量，从而确定所述目标的位置。但该方法没有充分利用无人机自带传感器的测量信息，未对关键误差源如高程、方向角零漂提出解决方案，且未给出实时性指标和具体定位精度。
[0005]因此，如何提供一种通过对高程、方向角零漂进行校正，以提高目标定位精准度的基于无人机微群的地面目标实时定位方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，在定位前分别对方向角测量和高程测量进行零漂校正，并在定位时对多架无人机的定位结果进行数据融合，有利于提升目标定位的精准度。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一，在对地面目标定位前，对无人机微群中的每架无人机进行高程测量零漂校正；
[0010]步骤二，在对地面目标定位前，对无人机微群中的每架无人机进行方向角测量零漂校正；
[0011]步骤三，在任意时刻k，令无人机微群悬停，利用每架无人机的自身姿态、机载相机
云台姿态和目标在图像中的检测结果，解算每架无人机与目标中心连线的俯仰角与方向角；
[0012]步骤四，结合每架无人机与目标中心连线的俯仰角和方向角，以及每架无人机的自身高程和自身位置经纬度，计算基于单无人机定位的目标中心经纬度和目标高程；
[0013]步骤五，将每架无人机的目标中心经纬度和目标高程进行数据融合，得到基于无人机微群的目标经纬度和目标高程的估计值。
[0014]优选的，在上述一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法中，步骤一包括：
[0015]在对地面目标定位前，使无人机从特定的停机坪起飞，在上升过程中，调整机身位置使停机坪保持在图像中心；
[0016]无人机达到10米高程位置后，进行悬停和多次图像采集，根据停机坪在图像中的大小解算出多个无人机自身的大地高程值；
[0017][0018]其中，f为相机的焦距，γ为停机坪在图像中的长度，α为停机坪在相机中的视角，x为停机坪的实际边长，为无人机的大地高程值；
[0019]利用小波滤波对多个图像计算获得的大地高程值进行平滑处理，将经过平滑处理的值作为当前时刻大地高程的准确值；
[0020]将无人机在同一时刻的大地高程值和大地高程测量值做差并求平均，作为该无人机的大地高程测量零漂误差。
[0021]优选的，在上述一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法中，步骤二包括：
[0022]在对地面目标定位前，使无人机微群进行初次悬停；
[0023]记录初次悬停过程中，单架悬停无人机的自身经度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数，作为方向角标定初始信息；
[0024]控制无人机朝向机头方向前进10m后进行二次悬停，记录二次悬停过程中无人机自身经度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数；
[0025]利用下式计算无人机方向角零漂误差
[0026][0027][0028]其中，lo0、la0、和θ0分别表示初次悬停过程中单架无人机自身经度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数；lo1、la1、和θ1分别表示二次悬停过程中单架无人机自身经度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数。
[0029]优选的，在上述一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法中，步骤三包括：
[0030]利用相机成像的共线性质，根据目标中心在所拍图像中的像素位置计算目标中心与机载相机镜头光轴垂直方向的夹角θ2和目标中心与机载相机镜头光轴正北方向的夹角θ2和的计算公式如下：
[0031][0032][0033]其中，目标在图像中的像素位置为(x
p
，y
p
)，图像的像素尺寸为(w
p
，h
p
)；
[0034]根据无人机自身姿态及机载相机云台的姿态，获得机载相机镜头光轴与竖直方向的夹角θ1，机载相机镜头光轴与正北方向的夹角
[0035]结合目标中心与机载相机镜头光轴夹角θ2和机载相机镜头光轴与竖直方向的夹角θ1，解算目标中心与无人机连线同竖直方向的夹角，作为目标俯仰角θ，计算公式如下：
[0036]θ＝θ1‑
θ2；
[0037]结合目标中心与机载相机镜头光轴夹角和机载相机光轴与正北方向的夹角，解算目标中心与无人机连线同正北方向的夹角，作为目标方向角计算公式如下：
[0038][0039]优选的，在上述一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法中，步骤四包括：
[0040]根据步骤三解算出的目标俯仰角和目标方向角，结合无人机自身大地高程测量值，求解出目标相对无人机的经纬度位置；
[0041]结合无人机自身经纬度测量值，求解出基于单无人机定位的目标中心经纬度；
[0042]利用无人机海拔高程测量值和无人机大地高程测量值求解出基于单机定位的目标的海拔高程值，计算公式为：
[0043][0044]h＝h
F
‑
h
D
；
[0045]其中，(x,y)表示目标的大地坐标系坐标，(x0,y0)表示无人机的大地坐标系坐标，h表示无人机自身大地高程测量值，h
F
表示无人机海拔高程，h
D
为无人机大地高程测量值。
[0046]优选的，在上述一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法中，步骤五包括：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在对地面目标定位前，对无人机微群中的每架无人机进行高程测量零漂校正；步骤二，在对地面目标定位前，对无人机微群中的每架无人机进行方向角测量零漂校正；步骤三，在任意时刻k，令无人机微群悬停，利用每架无人机的自身姿态、机载相机云台姿态和目标在图像中的检测结果，解算每架无人机与目标中心连线的俯仰角与方向角；步骤四，结合每架无人机与目标中心连线的俯仰角和方向角，以及每架无人机的自身高程和自身位置经纬度，计算基于单无人机定位的目标中心经纬度和目标高程；步骤五，将每架无人机的目标中心经纬度和目标高程进行数据融合，得到基于无人机微群的目标经纬度和目标高程的估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，其特征在于，步骤一包括：在对地面目标定位前，使无人机从特定的停机坪起飞，在上升过程中，调整机身位置使停机坪保持在图像中心；无人机达到10米高程位置后，进行悬停和多次图像采集，根据停机坪在图像中的大小解算出多个无人机自身的大地高程值；其中，f为相机的焦距，γ为停机坪在图像中的长度，α为停机坪在相机中的视角，x为停机坪的实际边长，为无人机的大地高程值；利用小波滤波对多个图像计算获得的大地高程值进行平滑处理，将经过平滑处理的值作为当前时刻大地高程的准确值；将无人机在同一时刻的大地高程值和大地高程测量值做差并求平均，作为该无人机的大地高程测量零漂误差。3.根据权利要求1所述的一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，其特征在于，步骤二包括：在对地面目标定位前，使无人机微群进行初次悬停；记录初次悬停过程中，单架悬停无人机的自身经度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数，作为方向角标定初始信息；控制无人机朝向机头方向前进10m后进行二次悬停，记录二次悬停过程中无人机自身经度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数；利用下式计算无人机方向角零漂误差人机方向角零漂误差人机方向角零漂误差其中，lo0、la0、和θ0分别表示初次悬停过程中单架无人机自身经度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数；lo1、la1、和θ1分别表示二次悬停过程中单架无人机自身经
度、纬度、方向角及三轴姿态测量仪垂直轴读数。4.根据权利要求3所述的一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，其特征在于，步骤三包括：利用相机成像的共线性质，根据目标中心在所拍图像中的像素位置计算目标中心与机载相机镜头光轴垂直方向的夹角θ2和目标中心与机载相机镜头光轴正北方向的夹角θ2和的计算公式如下：的计算公式如下：其中，目标在图像中的像素位置为(x
p
，y
p
)，图像的像素尺寸为(w
p
，h
p
)；根据无人机自身姿态及机载相机云台的姿态，获得机载相机镜头光轴与竖直方向的夹角θ1，机载相机镜头光轴与正北方向的夹角结合目标中心与机载相机镜头光轴夹角θ2和机载相机镜头光轴与竖直方向的夹角θ1，解算目标中心与无人机连线同竖直方向的夹角，作为目标俯仰角θ，计算公式如下：θ＝θ1‑
θ2；结合目标中心与机载相机镜头光轴夹角和机载相机光轴与正北方向的夹角，解算目标中心与无人机连线同正北方向的夹角，作为目标方向角计算公式如下：5.根据权利要求4所述的一种基于无人机微群的地面目标实时定位方法，其特征在于，步骤四包括：根据步骤三解算出的目标俯仰角和目标方向角，结合无人机自身大地高程测量值，求解出目标相对无人机的经纬度位置；结合无人机自身经纬度测量值，求解出基于单无人机定位的目标中心经纬度；利用无人机海拔高程测量值和无人机大地高程测量值求解出基于单机定位的目标的海拔高程值，计算公式为：h＝h
F
‑
h
D
；其中，(x,y)表示目标的大地坐标系坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：高仕航，徐梓京，陈晓群，袁景淇，李华清，卢宇婷，陈卫东，汪勇勇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：